Orientador: Silvia Rodrigues Machado / Resumo: Fibras gelatinosas são células especializadas de esclerênquima que possuem uma camada interna altamente modificada de aparência gelatinosa e translúcida, denominada camada-G. Diversas funções são atribuídas as fibras gelatinosas sendo a principal e mais conhecida a sua relação com o lenho de tração. Porém, outras funções de cunho fisiológico e adaptativo, tais como armazenamento de água e manutenção da orientação foliar foram descritas para as fibras gelatinosas. As fibras gelatinosas são reportadas em diversas famílias de angiospermas nos mais diversos ambientes, com isso outras funções podem ser associadas a ocorrência das fibras gelatinosas nos mais diferentes ambientes. O objetivo desse estudo foi analisar as fibras gelatinosas em representantes de Eriosema (DC.) Desv. um gênero de leguminosa comumente encontrado em Cerrado, visando a acessar variações na distribuição e organização das fibras gelatinosas no eixo vegetativo aéreo e subterrâneo, caracterizar a estrutura básica e a histoquímica das paredes celulares. O estudo foi conduzido com 19 táxons coletados em diferentes áreas de Cerrado, sendo amostrados a folha, caule aéreo e órgão subterrâneo. O material foi processado de acordo com técnicas usuais em anatomia e histoquímica vegetal. Uma espécie foi considerada como modelo e foram utilizados os anticorpos LM5 e LM10 marcadores para galactanos e xilanos, respectivamente, nas paredes das fibras gelatinosas. As fibras gelatinosas ocorreram por todo o corpo vegetativo d... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: Gelatinous fibers (G-fibers) are specialized sclerenchyma cells that have a highly modified, translucent, gelatinous appearance inner layer called the G-layer. Several functions are attributed to the G-fibers being the main and best known its relation with the tension wood. However, other physiological and adaptive functions, such as water storage and maintenance of leaf orientation, have been described for G-fibers. G-fibers are reported in several angiosperm families in the most diverse environments, so other functions may be associated with the occurrence of G-fibers in the most different environments. The purpose of this study was to analyze the G-fibers in representatives of Eriosema (DC.) Desv. a genus of legumes commonly found in Cerrado, aiming to access variations in the distribution and organization of G-fibers in the aerial and underground vegetative axis, to characterize the basic structure and histochemistry of cell walls. The study was conducted with 19 taxa collected in different areas of Cerrado, being sampled the leaf, aerial stem and underground organ. The material was processed according to usual techniques in plant anatomy and histochemistry. LM5 and LM10 antibodies that mark galactans and xylans, respectively, were used on the G-fibers walls. G-fibers occurred throughout the vegetative body of the studied Eriosema taxa, being extraxylary in regions with primary growth and xylary in regions with secondary growth. As for the organization, in the leaf the G-... (Complete abstract click electronic access below) / Doutor

Cette thèse visait à caractériser la composition en polysaccharides des fibres de bois de tension chez le peuplier et établir de possibles corrélations avec les mécanismes de création de la tension. A cette fin, nous avons étudié le bois de jeunes peupliers qui ont poussé sous conditions contrôlées. Nous avons pu déterminer la composition en polysaccharides des couches G isolées ainsi que la structure de ces polysaccharides. L’évolution de cette composition au long de la différentiation du bois de tension et du bois opposé a été évaluée à l’aide de 178 anticorps dirigés contre les principaux polysaccharides pariétales. La fonction de deux protéines à arabinogalactanes avec domaine fascicline-like a été également étudiée à l’aide des anticorps produits à cet effet. La génétique inverse a été également utilisée pour compléter l’étude de la fonction d’une de ces protéines dans la formation du bois de tension. Les résultats obtenus ont mis en évidence une évolution de la composition de la couche G au cours de la différenciation. Des différences entre la composition de la couche S2 des fibres du bois de tension et du bois opposé ont aussi été détectées. Une grande quantité de pectines de type RG-I a été décelé dans la couche G, molécules qui pourraient participer à la formation d’un gel. Le gonflement de ce gel serait responsable de la mise en tension des microfibrilles de cellulose. Cependant, nos travaux ne montrent aucune évidence pour la présence de xyloglucanes dans la couche G. Des indices en faveur de l’implication des FLAs dans la construction de la couche G ont été également trouvés dans cette étude. Ce travail de thèse ouvre des perspectives pour l’identification du déterminisme moléculaire à l’origine de la création de la tension dans le bois de tension. / This work aimed at characterizing the composition in polysaccharides of poplar tension wood fibres and a possible correlation with mechanisms for creating tension. Firstly, we isolated G-layers from tension wood formed in young poplars which grows in a greenhouse under controlled conditions and determine its polysaccharides composition and the structure of these polysaccharides. Therefore, we investigate the polysaccharide distribution during tension and opposite wood fibres differentiation by using 178 antibodies raised against the major wall polysaccharides. The distribution and function of two fasciclin-like arabinogalactan proteins were studied using two antibodies produced to this end and the function of one of the proteins were studied by reverse genetics. This work show an evolution in the polysaccharides composition of G-layer through its differentiation and also differences concerning S2 layer composition between tension and opposite wood fibres. No evidences for the presence of xyloglucans in the G-layer. However, this work shows the presence of a high quantity of RG-I type pectin which may be implicated in a gel-like structure formation which swelling could be responsible for tension creation in cellulose microfibrils. Our results suggest an implication of fasciclin-like arabinogalactan proteins in G-layer construction. Further, this work opens up new perspectives towards identification of molecular basis of tension creation in tension wood.

Le but de cette thèse était d’identifier les mécanismes moléculaires responsables des propriétés particulières de la couche G et les propriétés mécaniques remarquables du bois de tension (BT). Trois acteurs moléculaires potentiels (des protéines à arabinogalactane avec domaine fasciclin-like (FLA), une protéine chitinase-like (CTL) et une β-galactosidase (BGAL)) ont été choisis et étudiés dans: analyse phylogénétique, analyses d'expression et caractérisation de peupliers transgéniques affectés dans l’expression de chacun de ces acteurs. La caractérisation fine de ce matériel a révélé que CTL2 et les FLA jouent un rôle dans la régulation de la cristallinité de la cellulose dans le BT. CTL2 apparaît également important dans l'organisation de la paroi cellulaire et des propriétés mécaniques des tiges. BGAL a été avant proposé pour une fonction dans modification de pectine RG-I potentiellement important pour des propriétés mécaniques de BT. Le bois de tension exhibe une activité BGAL plus élevée que dans le bois opposé. L’inhibition par RNAi de l’expression de BGAL7, spécifiquement exprimée dans le BT, n’est pas responsable à lui seul de la forte activité BGAL présente dans le BT. En contrepoint à l’étude menée sur le peuplier, nous avons également évalué la présence d’acteurs moléculaires potentiellement responsables des propriétés mécaniques du BT chez le simarouba qui développe dans leur BT des fibres ayant leurs sous-couches de la paroi intermédiaire entre la G et la S2. Des protéines à arabinogalactanes ainsi que des pectines du type RG-I sont présentes dans les fibres de BT de peuplier et de simarouba et pourraient avoir une fonction dans un mécanisme commun de génération des contraintes dans le BT. Finalement, un modèle est proposé sur le rôle présumé des différents acteurs moléculaires étudié dans la régulation des propriétés de la couche G et la génération des fortes contraintes du bois de tension. / The aim of this thesis was to approach the underlying molecular mechanisms responsible for the particular properties of the G-layer and the outstanding mechanical properties of tension wood (TW). Accordingly, three potential molecular players (fasciclin-like arabinogalactan protein (FLA), chitinase-like protein (CTL) and β-galactosidase (BGAL)) were chosen and studied through a phylogenetic analysis, expression analyses and most importantly characterization of RNAi transgenic poplars. This multilevel characterization revealed that CTL2 and FLAs have function in the regulation of cellulose crystallinity in TW. CTL2 was also shown to be important both for the cell wall organization and stem mechanical properties. BGAL was studied in a light of the previously reported modifications of RG-I pectin, potentially important for the mechanical properties of TW. Study of BGAL revealed that the enzyme has higher activity in TW than in opposite wood. BGAL7, whose gene was expressed specifically in TW, does not seem to be responsible for the higher BGAL activity in TW. In comparison to poplar, we analyzed the occurrence of molecular players potentially responsible for TW mechanical properties in simarouba, a tropical species, which develops different TW fiber. Arabinogalactan proteins and RG-I pectin potentially targeted by BGAL were localized in TW fibers both in poplar and simarouba and therefore may be involved in a common mechanism of tensile stress generation in different TW types. A model was finally proposed to elucidate a potential function of the studied molecular players in the regulation of G-layer properties and tensile stress generation.

Le bois est un matériau complexe, hétérogène et anisotrope. Ses propriétés mécaniques varient fortement en fonction de l'essence et de l'échelle considérées. Pour mieux comprendre le comportement du bois en fonction de sa structure, nous proposons dans le cadre de cette thèse une étude expérimentale à l'échelle des tissus qui est réalisée sur plusieurs types de bois : bois de peuplier, y compris bois de tension et bois d'épicéa. Compte tenu des faibles dimensions des échantillons testés, les mesures de déformation sont effectuées « sans contact » afin de s'assurer de ne pas perturber l'échantillon en cours de l'essai.Les premières séries de mesures sont réalisées sur les trois zones (tendue, normale, opposée) et selon les 3 directions matérielles (longitudinale, radiale et tangentielle) d'une tige de peuplier inclinée. Les résultats obtenus permettent de comparer des comportements mécaniques du bois de peuplier dans toutes les zones considérées en fonction de ses propriétés microscopiques.Les deuxièmes séries de mesures sont réalisées en compression, grandes déformations, dans la chambre d'un ESEM (Microscope électronique à balayage environnemental) sur du bois feuillu (peuplier) et sur du bois résineux (épicéa). Grâce aux images obtenues en période d'essai, du domaine élastique jusqu'à la densification, la réponse de chaque type du bois à la même sollicitation est illustrée.Enfin, une partie de la modélisation numérique par la MPM (Materiel Point Method) est proposée dans notre projet envisagé comme prolongement de ce travail. Il permettra de simuler le comportement mécanique du bois en grande déformation. / Wood is a complex, heterogeneous and anisotropic material. Its mechanical properties are highly variable according to the species and scale considered. In order to better understand the behaviour of wood in relation to its structure, this PhD work proposes an experimental study at the tissue scale. This work is performed on several types of wood: poplar, including tension wood and spruce. Considering the small dimensions of the tested samples, a “non-contact” method is used to limit perturbations, therefore ensuring the measurement precision.The first series of measurements were realised in the three zones (tension, normal, opposite) and for the three material directions (longitudinal, radial and tangential) of an inclined poplar tree. The results obtained allowed us to compare the mechanical properties of poplar wood in all zones in relation to their microscopic features.The second series of tests were performed in the chamber of an ESEM (Environmental Scanning Electron Microscope) on hardwood (poplar) and softwood (spruce). With the images obtained during the test, from the elastic zone to the densification, the response of each type of wood to the same solicitation is presented and commented.Finally, some numerical modelling by the MPM (Material Point Method) is proposed as prospects of the present work. It will allow the mechanical behaviour of wood in large deformation to be predicted.

Le bois de tension est un tissu développé par les angiospermes afin de redresser ou de maintenir leur position verticale. Ce tissu génère de fortes contraintes de tension capables de courber un tronc vers le haut. Dans la littérature, l’anatomie du bois de tension est caractérisée par la présence d’une couche gélatineuse (couche G) non lignifiée dans la paroi des fibres. Cette thèse vise à étudier la diversité anatomique du bois de tension ainsi que les mécanismes de génération des contraintes de tension associés et les éventuelles variations de l’efficience du redressement, afin de comprendre comment les arbres se redressent. Elle s’appuie sur des observations anatomiques sur 291 espèces tropicales, sur des estimations de contraintes de maturation sur arbres adultes ainsi que sur une nouvelle méthode d’estimation des contraintes de maturation sur des individus juvéniles artificiellement inclinés et tuteurés en serre. Nos résultats montrent que la couche G est présente dans la majorité des espèces, bien qu’elle soit majoritairement masquée par de la lignine. Dans un faible nombre d’espèces, la couche G est absente du bois de tension. Dans ces espèces, le mécanisme de génération des contraintes de tension implique l’interaction du bois avec l’écorce. Bien que la contrainte de tension soit générée dans des compartiments distincts (le bois et/ou l’écorce), ces deux mécanismes de génération des contraintes de tension ont une efficience de redressement similaire dans le stade juvénile. Les résultats de cette étude ouvrent de nouvelles perspectives de recherche, notamment sur le rôle fonctionnel de la lignine dans la couche G. / Tension wood is a tissue developed by angiosperms to upright or maintain their vertical position. This tissue generates a strong tensile stress able to curve the stem upwards. In the literature, tension wood anatomy is characterized by the presence of an unlignified gelatinous layer (G-layer) in the fibre cell wall. The aims of this thesis are to study the anatomical diversity of tension wood as well as the associated mechanisms of tensile stress generation and eventual variations of uprighting efficiency in order to understand how trees upright. This thesis relies on anatomical observations of 291 tropical species, on estimations of maturation strain on adult trees and on estimations of maturation strain on artificially tilted young trees tied to a pole in a greenhouse. Our results show that the G-layer is present in the majority of the species, although it is mainly hidden by lignin. The G-layer is absent in tension wood of a few number of species. In these species, the mechanism of tensile stress generation involves the interaction of wood and bark. Although tensile stress is generated in separated tissues (wood and/or bark), these two mechanism of tensile stress generation show a similar efficiency of uprighting in juvenile trees. Results of this study open new prospects of research, including on functional role of lignin in the G-layer.